一种多吸盘爬壁机器人原型的研制_孟宪超.pdf

一种多吸盘爬壁机器人原型的研制*孟宪超1,王祖温1,包钢1,S K TSO2,邵浩2(1.哈尔滨工业大学 机电学院,黑龙江 哈尔滨 150001;2.香港城市大学)摘要:介绍了一种仿坦克的爬壁机器人原型设计,该机器人新颖之处在于采用多个吸盘组成的吸附机构和单链条爬行及转向机构,它可以在玻璃幕墙和船壳等墙面上连续爬行,并有一定的越障能力。主要阐述了爬壁机器人关键结构的设计、安全性分析、转弯技术和越障实现的设计思想,并简要对其控制系统进行了介绍。关键词:爬壁;爬行机器人;吸盘;链条中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2003)08-0030-04 表面检测和清洁等工作对于高层建筑物或大型结构的安全使用和寿命非常必要,而传统的吊篮人工操作方式既危险,劳动强度又高,在世人对生命越来越尊重、对生活质量追求越来越高的同时,在过去的 20多年中,科研人员研制了多种类型的爬壁机器人,希望借此能将人从危险和枯燥的工作中解放出来。目前为止,根据机器人吸附在工作墙面上的方式,爬壁机器人大体上分为三类:真空吸附型 1 8、磁力吸附型 1,2,3和推力型 1。现阶段应用最多的就是真空吸附型爬壁机器人,这种类型的机器人又分为单吸盘爬壁机器人 1,2,4和多吸盘机器人,前者如哈工大 王炎教授主持研制的清洗 机器人 2;后者如ROBINSPEC 5,Robug-II 6,Cleanbot-I 7等。在过去几年中,香港城市大学智能设计、制造及控制中心(CIDAM)和内地大学合作,致力于爬壁服务机器人的研制,开始研制了一种笛卡尔坐标式爬壁机器人 7,该机器人由平移机构和吸附装置构成,通过 X 轴和 Y 轴的交替移动,配合两轴上对应的吸盘 Zx 和Zy 相应交替吸附,实现机器人本体的移动,该机器人稳定性好,但由于机构所限,移动不是连续的。为了提高工作效率,受坦克履带爬行方式的启发,继而研制了这种可以连续爬行的多吸盘单链爬壁机器人 Cleanbot-IV,该机器人的优点是能够跨越一定的障碍,并且能够连续爬行。1 系统概况和关键结构Cleanbot-IV 能够在地面和垂直的玻璃幕墙等工作面上爬行,主要由行走及转向机构、吸附机构、吸盘组导向和提升装置以及控制系统组成,主要部件如图 1 所示。该机器人长约 720mm、宽 370 mm、高约 370 mm、重约 20 kg。1.1 行走机构行走机构模仿坦克履带结构。坦克采用双履带行走和转向,对于爬壁机器人,爬行中底部的履带要通过吸盘吸附在工作面上,如果采用双履带,机器人转向理论上不易实现,因此决定采用单履带模式。在一封闭链条上安装吸盘形成一条行走履带,通过前后两个直径为 122 mm 的链轮,来支撑驱动履带,并象坦克一样,在链轮上方设置支撑张紧轮。前轮用来控制爬行的方向,一个双作用气缸用来控制前轮转向,后轮用于驱动爬行,由一交流伺服电机通过减速机构来驱动,减速机构的核心是一谐波减速器(1B 126),电机选的是三菱的交流伺服电机(HC-KGS12B),体积小,单位体积功率大。电机驱动后轮驱使机器人向前运动,当转向气缸驱动前轮偏转一定角度,前部链条会随之转动一定的角度,因而,机器人会改变其前进方向,所以,链条具有一定的柔性对系统的转向很重要,链条的每一关节可偏转 2.4b。转向的实现问题在下面进一步探讨。1.框架 2.气源 3.转向气缸 4.前轮 5.链条 6.导向凸轮 7.伺服电机+谐波减速器 8.吸盘 9.导向滚轮 10.后轮(驱动轮)图 1 Cleanbot-的构成图the regression analysis was carried out upon the experiment,thusthe optimum parameters of leaf peeling component were foundrapidly and effectively.Through assembly of the whole machine,simulation analysis and modification upon the experiment,thedigitized mdoel of product leveled leaf peeling off machine wasobtained.Key words:sugarcane leaf peeling off machine;simulationanalysis;virtual orthogonal experimentFig 5 Tab 4 Ref 5/Jixie Sheji02598第 20 卷第 8 期2 0 0 3 年 8 月机 械 设 计JOURNAL OF MACHINE DESIGNVol.20 No.8Aug.2003*收稿日期:2002-07-20;修订日期:2003-02-21基金项目:香港政府工程研究基金(CERG#9040407)和科技创新署科技创新基金(ISF#9350006)共同资助项目。作者简介:孟宪超(1971-),男,山东青岛人,助理研究员,博士研究生,专业方向:机器人机构及控制技术。1.2 吸附机构吸附机构由安装在链条上的 13 组吸盘及真空发生器等组成,如图 1和图3 所示,一系列链条连接板依次等间距安装在链条上,吸盘安装在吸盘支撑板上,吸盘支撑板和链条连接板之间通过连杆和弹簧相连,由于连杆和链条连接板间可以滑动,因此,吸盘组在有比较小的障碍的墙面上,可以象蠕虫一样产生避让动作,使机器人可以越过障碍,每组吸盘由 4 个 55 mm的吸盘组成,由单独的机械阀控制其动作。随着机器人的运动,当一组吸盘完全接触工作表面到达吸附状态时,对应的机械阀打开,与之相连的真空发生器工作产生真空,吸盘吸附在玻璃上,反之,随着机器人前进,当一组吸盘即将要离开平面时,对应的机械阀关闭,则吸盘的吸附力逐渐降到零,而可以脱离工作表面,在设计中,任何时刻都至少保证有 4 组吸盘同时吸附在工作表面上,以产生足够的吸附力,防止机器人从墙壁上滑下或倾翻。因为每一个机械阀和真空发生器都要与气源连接,要确保它们随着链条的转动而不缠绕,用一旋转接头实现气的供给并能防止缠绕。1.3 吸盘组导向和提升装置机器人在墙上或一定坡度的坡面上爬行时,吸附在工作平面上的吸盘连杆相当于一柔性悬臂梁,由于受重力(主要是机器人重力)作用会向下倾斜,这样,当下一组吸盘组切入吸附状态时,此时吸盘连杆在工作面法线方向,将不能保证这组吸盘组与已经吸附的吸盘组相互平行的姿态要求,这在实验中证明会造成几组作用吸盘组的相互干涉而影响机器人的爬行,因此必须保证吸盘组在垂直于工作面进入吸附状态,并能够维持垂直(近似)姿态直到吸盘组脱离,因此设计了吸盘组导向装置(见图 2和图 3所示),在框架两侧安装了纵向的导向支撑板(导轨),链条连接板的两端安装有三导轮,吸盘组的导轮进入导向支撑板后,在导向支撑板、链条及直线轴承的作用下,保证吸附状态的吸盘连杆在机器人爬行时能保持相互姿态。为了避免吸盘在前轮下方切入时卷褶漏气,设计了相应的吸盘提升装置(图 3)。在一吸盘组进入吸附状态前,吸盘支撑板上的滚轮作用在提升轨道上,提升轨道将吸盘支撑板连同吸盘相对于链条连接板提升一段距离,到达吸附位置时,在弹簧作用下将吸盘弹回,吸盘组进入吸附状态。图 2 导向凸轮机构1.吸盘 2.吸盘提升装置 3.撑板弹簧 4.导向支 5.导轮 6.链条连接板 7.连杆 8.吸盘支撑板图 3 吸盘组导向和提升装置2 安全性分析爬壁机器人携带设备进行工作时,如果负载太大超过其允许负载,它可能从工作墙面上滑下或倾翻,因此,安全性分析对爬壁机器人十分重要。2.1 安全吸附的条件为了确定 Cleanbot-IV 的负载能力和安全性能,分析机器人所受的力。当机器人吸附在墙壁表面(这里以玻璃幕墙为例分析)上时,受力情况如图 4 所示,各符号意义如下:Ni)墙壁对第 i 组吸盘的法向支撑力(垂直于墙面),i=1,5;Vi)作用在第 i 组吸盘上的真空吸力,i=1,5;fi)墙壁作用在第 i 吸盘上的摩擦力,i=1,5;G)作用在机器人上的重力(包括外设);p)相邻两组吸盘之间的距离;d)机器人的等效重心到玻璃幕墙的距离。图 4 Cleanbot-受力示意图当机器人在玻璃幕墙上爬行时,两种危险的情况可能发生:一种它可能从墙面上滑下;另一种情况是由于最上方接触的吸盘由于受倾翻力矩太大脱离墙面,引起机器人的倾翻。设计中,机器人的机构受力应满足避免下滑和避免倾翻两个条件,为了简化,这里只考虑了静态吸附情况。(1)为了避免机器人从墙面上滑下,根据摩擦力的特性,同样工况下,最大静摩擦力要大于滑动摩擦力,所以有:G 0(i=1,5)(2)假设作用在支撑轮上的力不加考虑,认为墙壁对机器人的反作用力只作用在与墙壁接触的吸盘上,由此静态下,机器人在 x、y 方向受力分别满足:E5i=1(Ni-Vi)=0(3)G-E5i=1fi=0(4)所受的平衡力矩为(以 O 点为参照点):E5i=1(Ni-Vi)(i-1)p=Gd(5)并假定各个吸盘的真空度是均衡的,则作用在吸盘上的吸力为:V=Vi=sv(6)式中:s)每组吸盘总的吸附面积;v)工作吸盘内的真空度。为了方便计算 Ni,假设几个约定条件,设作用于吸盘上的支撑力 Ni(i=1,5)形成一对力偶,并且从N1到N5比例增加,以上假设用下式表示为:Ni+2-Ni+1=Ni+1-Ni(i=1,2,3)(7)联解式(3),(4),(5),得到 Ni(i=1,5)表示式:Ni=V-3Gd10p+Gd10p#i(8)理论上,由式(8)可知,只要满足 N1 0,则条件(2)满足条件,求得:G 5 Vpd(9)根据式(1)和(9),机器人牢靠吸附在工作面上(不从玻璃幕墙上滑下或倾翻下来)的条件应该满足:G min(fc1,fc2)(10)理论上:fc1=5LV;fc2=5Vpd按照 Cleanbot-IV 的尺寸,p=78 mm,d=180 mm,以及玻璃与吸盘间的典型摩擦因数(基于安全考虑,这里按最小计)L=0.11。可以得到:fc1 fc2(11)也就是说,对 Cleanbot-IV 最可能发生危险的情形是从墙面上滑下。在设计中,从吸盘数量和间距上,首先要保证 fc1fc2,以避免机器人从墙面上倾翻下来,考虑到机器人在越障时第一组吸盘可能发生泄漏,另外为了增加安全系数,在设计时,考虑只有下面 4 组吸盘组工作时机器人仍能够安全吸附。因此,保证机器人的安全,要确保:G 5LVn(12)可以表示为:G V总nK(13)式中:G)机器人和负载总的质量;V总)作用在机器人吸盘上吸力的总和,V总=5V;K=1/L;n)安全系数。图 5 是进行安全测试的装置,在这个试验装置中,总共用了 4 对与 Cleanbot-IV 同样规格的吸盘,吸盘产生的吸力克服重力对试验装置的影响,试验中,负载会逐渐增加,当负载大到一定程度,试验装置会从玻璃上滑下,说明已经超过最大安全负载。图 5 安全性能检测试验装置在试验中发现,安全负载会随着吸盘真空度的增加而增加,但是并不是线性增加的。图 6 表示了吸力和安全负载之间的关系,从图上不难看出,真空度增加一倍,从-25 kPa 增加到-50 kPa,安全负载只增加 46%,而从-40 kPa 增加到-80kPa,安全负载只增加 25%,这种现象可能是由于吸盘与玻璃间的摩擦因数改变和性能改变造成的。Cleanbot-IV,理论上任意时刻有 16 只吸盘吸附着玻璃(最多时 20 只),在真空度是-80 kPa、机器人自重 20 kg 的情况下,根据理论分析和试验的结果,该机器人约能携带 195 N 的负载。图 6 吸力与最大负载关系曲线图3 越障的实现爬壁机器人进行服务工作时会遇到障碍物,如果不能越过障碍物将影响机器人继续工作,因此,具有一定的越障能力对爬壁机器人很重要。现阶段,爬壁机器人越障主要有以下几种方法:(1)多足交替越障,采用仿昆虫多足结构爬行机构,多足交替动作实现越障,如 Robug-II 6,这种机器人特点必须是多足型的,相对负载一般的较小。(2)靠柔性变形越障,象单吸盘爬壁机器人 2,其底部四周一般是柔性密封,并有弹性压紧装置,另外,与工作面接触的驱动部分一般有一定的弹性,借助柔性密封体,可以越过高度很低、很平缓的障碍物。(3)飞行越障,例如日本 A Nishi教授研制的推力型爬壁机器人,当遇到障碍物时,它可以借助推力机的升力飞过去,然而32机 械 设 计第 20 卷第 8 期这个机器人的体积过于庞大(10 m 5.5 m 3 m)1。Cleanbot-IV 越障依靠它本身多组吸盘结构的弹性,其原理类似坦克履带的柔性结构和支撑张紧轮的弹性,参照图 3 是吸盘组的结构图,每块支撑板上安装了 4 只吸盘,链条连接件和吸盘连接件通过直线轴承连接,并在支撑杆件上安装弹簧,保证链条连接件和吸盘连接件间有一定的伸缩性,当吸盘要翻越障碍时,与障碍物接触的吸盘上方的弹簧会压缩(参见图 7),由于结构的柔性,此时仍能保证导轮在导轨槽中滑动而不至于卡死,当越过障碍后,弹簧恢复原状态。图 7 越障示意图4 转向技术转向对于爬行机器人非常重要,对于单链条的爬壁机器人尤为重要。Cleanbot-IV 转向的关键在于前轮固定在一个旋转关节上,一转向气缸一端固定在机器人的框架,另一端与旋转关节的一端连接,转向气缸驱动旋转关节带动前轮改变方向,并且前轮的接触中心点也发生很小偏移,前轮带动前轮上缠绕的链条,这部分链条上的吸盘可以偏转一定的角度,随着机器人的连续移动,机器人就可以逐渐改变其运动方向,但是,该机器人的转弯半径较大。图 8 是机器人的转向示意图,当机器人向左(右)转向,前面的第一组吸盘在吸附到墙壁上之前应该偏转,转向过程中,链条逐渐形成一条曲线,因此,链条要有一定的柔性,链条的选择很重要。图 9 是机器人转向过程的模拟结果。(1)(4)右转 (4)(5)左转 吸附前的吸盘 吸附着的吸盘图 8 Cleanbot-转向示意图5 控制系统简介Cleanbot-IV 的控制系统采用主从控制结构,主控制计算机是地面控制站,从计算机置于机器人中,控制的基本策略编入从计算机系统中,通常情况下,从计算机执行主机的指令,并回馈系统的状态。图 10 是 Cleanbot-IV 控制系统的组成框图。在上一节中讨论了转弯的机械方面的问题,在控制气缸的过程中,采用脉冲宽度调制方法驱动气缸控制前轮转动角度。开关阀在 PWM的 ON/OFF 信号的作用下实现开关,用低成本的方法,实现了气缸的小行程位置控制。图 9 转向过程模拟图图 10 控制系统结构图6 结论多吸盘的爬壁机器人采用单链行走机构,并采用多吸盘真空吸附方式吸附在墙壁表面,经过试验证明,该机器人是可行的。采用弹性机构和多吸盘结构,使该机器人具有跨越一定障碍的能力。这个机器人不仅能够在玻璃幕墙上爬行,并且可以在较平整的金属表面上爬行,加一定的外设,它可以用来进行大面积金属壳体表面缺陷检测。参考文献 1 A Nishi.Development of wall-climbing robots J.ComputerElect.Engng,1996,22(2):123-149.2 Wang Yan,Liu Shuliang,Xu Dianguo,et al.Development and ap-plication of wall-climbing robots C.Processding of 1999 IEEEInternational Conference on Robotics and Automation,1999,2:1 207-1 212.3 Juan Carlos Grieco,Manuel Prieto,Manuel Armada,et al.A sixth-legged climbing robot for high payload C.Proc.IEEE ICCA,T riste,Italy,Sep 1998:446-450.4 Akira Nishi,Y Wakasugi,K Watanabe.Design of a robot capable ofmoving on a vertical wall J.Advanced Robotics,1986,1(1):33-45.5 P Arena,G Muscato.New-trends in the control of walking robots C.Proceedings of the 1998 IEEE ICCA,Trieste,Italy,1998:418-422.332003 年 8 月孟宪超,等:一种多吸盘爬壁机器人原型的研制一种新型双并联主操作手构型设计*朱延河,赵杰,蔡鹤皋(哈尔滨工业大学 机器人研究所,黑龙江 哈尔滨 150001)摘要:提出了一种新型双并联结构的主手构型,由于采用了平动与转动分离的两层并联结构,在保证了结构紧凑的同时,实现了运动空间的最大化,平动与转动的完全解耦特性大大减小了空间内出现奇异的可能性。另外,采用柔性传动方式实现了转动机构运动与驱动部件的分离,将所有驱动部件固定于基座,有效地减小了运动惯量,为实现较高的系统动态品质打下了基础。关键词:主操作手;双并联;解耦;柔性传动中图分类号:TP242 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2003)08-0034-03 近年来,虚拟现实技术在医疗、遥操作、军事及娱乐等领域的应用不断扩展。虚拟现实技术主要包括以下三方面内容,即视觉、力觉和听觉,其中力觉感受对于某些特殊环境及特定操作具有重要意义,如能见度差的环境、表面跟踪操作等。在这些场合,实时准确的力觉感受是成功完成作业的保障。Hapticinterface(力觉接口设备)是组成虚拟现实系统的重要设备,它泛指虚拟现实系统中能够给操作者提供包括力觉、触觉、滑觉等多方面感觉的人机接口设备,主操作手(以下简称主手)作为提供力感觉的专门设备在遥操作等领域得到了相当广泛的应用。1950 年 Goertz 在他的主从系统中首次提到了 Haptic inter-face 的概念 1。迄今为止已经出现了很多有代表性的主手构型。如 M Bergamsco 提出的外骨骼型主手 2,Massie 和 Salis-bury 提出的 PHANToM 主手 3,Tohoku 大学研制的六自由度主手 4,Carnegie Mellon 大学的 Hollis 提出的 MagLev Wrist 以及 Merkelman 提出的磁悬浮主手 5等。以上提到的主手有些不能提供六自由度运动,从而缺乏真实表现虚拟环境的能力,有些属于串联结构形式而难以表现刚性较大的动态接触,另外一些构型虽然基于并联结构,但由于运动耦合的因素,使得运动空间较小,同时奇异问题往往比较突出,而一些运动解耦的主手则常常无法兼顾运动惯量问题,并且浮动的驱动装置也会造成系统更大的能量消耗,降低了效率。以下提出一种全新的采用刚柔驱动方式的双并联主手构型,有效的克服了上述并联形式主手的缺点。1 基于双并联结构的主手构型一个设计成功的主手应当具有以下特性:(1)能够实现六维运动,空间大,无奇异;(2)出力足够大,可实现快速运动;(3)低惯量,低摩擦,高刚度;(4)力和位置的变换简单,容易实现实时控制;(5)结构紧凑,操作舒适;(6)其它特性,如重力自平衡等。6 LUK B L,Collie A A,Billingsleg J.Robug II:An intelligent wallclimbing robot C.Proceeding of IEEE International Conference onRobot and Automation,1994,3:2 342-2 347.7 S K T so,Y H Fung,et al.Design and implementation of a glass-wall climbing robot for high rise building C.Proceeding of WorldAutomatic Congress,Hawaii,USA,June 2000,Paper ISORA123.8 Nagakubo A,Hirose S.Walking and running of the quadruped wall-climbing robot C.Proceeding of IEEE International Conferenceon Robotics and Automation,1994,2:1 005-1 012.Prototype development of a kind of multi-suckered wall-climbing robotMENG Xian-chao1,WANG Zu-wen1,BAO Gang1,S K TSO2,SHAO Hao2(1.School of Mechatronic Engineering,Harbin Institute ofT echnology,Harbin150001,China;2.CityUniversityofHongkong,Hongkong)Abstract:T he prototype design of a kind of tank imitationedwall-climbing robot was expounded in this paper.T he novel partof this robot lies in the adoption of adsorption mechanism composedof multi-suckers and of single chain crawling and steering mecha-nism.It can crawling continuously on glass walls or on ship hullsetc.,and possesses certain barrier exceeding ability.This paperexpounded mainly on its design of key structures,analysis of safetyproperty,steering technique and designing thought for realizingbarrier transcendence.And a brief introduction was carried out up-on its controlling system.Key words:wall-climbing;crawling robot;sucker;chainFig 10 Tab 0 Ref 8/Jixie Sheji02533第 20 卷第 8 期2 0 0 3 年 8 月机 械 设 计JOURNAL OF MACHINE DESIGNVol.20 No.8Aug.2003*收稿日期:2002-08-08;修订日期:2003-01-20基金项目:863 计划资助项目(2001AA422250)作者简介:朱延河(1975-),男,山东福山人,博士研究生,研究方向:虚拟现实人机交互技术。